ROGÉRIO LIMA MOTA DE OLIVEIRA ANÁLISE TÉRMICA, CROMATOGRÁFICA E ENERGÉTICA DO BIOGÁS PROVENIENTE DA

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ANÁLISE TÉRMICA, CROMATOGRÁFICA E

ENERGÉTICA DO BIOGÁS PROVENIENTE DA

PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL EM

LABORATÓRIO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

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ROGÉRIO LIMA MOTA DE OLIVEIRA

ANÁLISE TÉRMICA, CROMATOGRÁFICA E

ENERGÉTICA DO BIOGÁS PROVENIENTE DA

PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL EM

LABORATÓRIO

Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia, como parte dos requisitos para a obtenção do título de DOUTOR EM ENGENHARIA MECÂNICA.

Área de concentração: Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos.

Orientador: Prof. Dr. Solidônio Rodrigues de Carvalho Coorientador: Prof. Dr. João Pereira Gomes (UTL)

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Sistema de Bibliotecas da UFU, MG, Brasil.

O48a

2014 Oliveira, Rogério Lima Mota de, 1983- Análise térmica, cromatográfica e energética do biogás proveniente da produção de carvão vegetal em laboratório / Rogério Lima Mota de Oliveira. - 2014.

174 f. : il.

Orientador: Solidônio Rodrigues de Carvalho. Coorientador: João Pereira Gomes.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Uberlândia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

Inclui bibliografia.

1. Engenharia mecânica - Teses. 2. Biogás - Teses. 3. Madeira - Carbonização - Teses. 4. Cromatografia - Teses. I. Carvalho, Solidônio Rodrigues de, 1978- II. Gomes, João Pereira. III. Universidade Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. IV. Título.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço o Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica pela oportunidade de realizar este trabalho.

Ao Professor Solidônio Rodrigues de Carvalho pela orientação, companheirismo e principalmente pela paciência.

Ao Professor João Gomes da Universidade Técnica de Lisboa pela coorientação e por me receber em seu laboratório no período de intercâmbio.

Aos colegas do LTCM, em especial Lívia Barbosa, Ivana Maia e Danilo Campiom que contribuíram de forma direta.

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SUMÁRIO

CAPÍTULO I – Introdução ... 01

CAPÍTULO II – Revisão bibliográfica ... 08

CAPÍTULO III Montagem experimental ... 36

3.1 – Montagens da bancada do sistema de produção de carvão vegetal ... 39

3.2 – Montagens do sistema de coleta do Biogás ... 47

CAPÍTULO IV Calibração do cromatógrafo e procedimentos de coleta do biogás .... 51

4.1 – Procedimentos para as Calibrações do Cromatógrafo ... 53

4.1.1 – Ajuste dos parâmetros: definição do Método Cromatográfico Padrão ... 53

4.1.2 – Identificação dos componentes do biogás de acordo com o tempo de retenção ... 56

4.1.3 – Procedimentos metodológicos para o ajuste das equações analíticas referentes à calibração: Metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2) ... 59

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4.2.1 – Metano ... 69

4.2.2 – Monóxido de carbono ... 79

4.2.3 – Dióxido de carbono ... 87

CAPÍTULO V Construção de uma curva de aquecimento para o processo de carbonizaçâo da madeira em escala laboratorial ... 94

CAPÍTULO VI Análise cromatográfica e quantificação volumétrica do biogás ... 108

6.1 – Análises Cromatográficas do Biogás para Diferentes Níveis de Temperatura .... 114

6.2 – Correlações: Análises Cromatográficas do Biogás x Vazão de fumaça ... 127

6.3 – Análise da energia e da potência contida no biogás em escala laboratorial ... 138

CAPÍTULO VII Conclusões ... 141

7.1 – Trabalhos Futuros ... 144

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 149

APÊNDICE A Cálculos das Áreas ... 161

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proveniente da produção de carvão vegetal em laboratório. Tese (doutorado). Universidade Federal de Uberlândia. Uberlândia, MG. Brasil. 2014.

RESUMO

O processo de carbonização da madeira libera uma grande quantidade de resíduos gasosos não condensáveis. Na constituição deste resíduo, também chamado de biogás, destacam-se três componentes: metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2), elementos responsáveis na aceleração do efeito estufa. O biogás, geralmente é descartado sem que haja algum tipo de aproveitamento. Essa pode ser uma alternativa importante para ganhos financeiros quando este é reinserido no processo ou até mesmo utilizado como combustível. Além disso, quando queimado, reduz significativamente os impactos ambientais causados. Neste estudo desenvolvida uma equação analítica referente a calibração cromatográfica. Foi desenvolvida uma curva de aquecimento capaz de reproduzir o processo de carbonização da madeira industrial em laboratório. Foi realizada uma análise da vazão e cromatográfica do biogás resultante do processo de carbonização da madeira, identificando e mensurando em escala laboratorial dois de seus principais componentes metano (CH4) (1% do volume total) e monóxido de carbono (CO) (4% do volume total). Por fim, o estudo mostrou a quantidade de energia descartada à atmosfera pode ser superior a 16 GJ e com isso apresenta uma contribuição para vertentes sustentáveis do setor carvoeiro, proporcionando a redução dos impactos ambientais e consequentemente, possíveis ganhos econômicos às empresas envolvidas.

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OLIVEIRA, R. L. M. Thermal, chromatographic and energetic analysis of biogas proper for laboratorial charcoal production. PhD Thesis. Federal University of Uberlandia. Uberlandia, MG. Brazil. 2014.

ABSTRACT

Wood carbonization process releases a large amount of non-condensable gaseous waste. In its composition, also called as biogas, three components can be highlighted: methane (CH4), carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2), these are the elements responsible for accelerating of the greenhouse effect. Biogas is usually discarded without having any kind of recycling. That can be an important alternative for financial gain when it is reinserted into the process or even used as a fuel. Moreover, when burned, it can reduce significantly the environmental impacts. An analytic equation of chromatographic calibration was developed in this study. Also a heating curve was created capable to reproduce a carbonization process of industrial wood in laboratorial conditions. Flow and chromatographic analysis of biogas resulted from wood carbonization process were performed, pointing and measuring in laboratorial scale two of its main components: methane (CH4) (1% of the total volume) and carbon monoxide (CO) (4% of the total volume). Finally, the study demonstrated that a quantity of energy discarded to the atmosphere can be higher than 16 GJ, presenting a contribution to an ecological view for the coal sector, providing the reduction of environmental impacts and hence economic benefits to the companies involved.

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CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

Estudos mostram que a demanda projetada de energia no mundo aumentará 1,7% ao ano, de 2000 a 2030, quando alcançará 15,3 bilhões de toneladas equivalentes de petróleo (tep) por ano, de acordo com o cenário base traçado pelo Instituto Internacional de Economia (MUSSA, 2003).

Grande parte da madeira extraída no país é diretamente queimada ou transformada em carvão vegetal para fins energéticos. A proporção de lenha utilizada para a fabricação de carvão pode ser estimada como sendo em torno de 35% ou seja, cerca de 53 milhões de toneladas de madeira por ano (MME, 2014).

O carvão vegetal nos países em desenvolvimento é usado principalmente como combustíveis domésticos, para cozinhar e calefação, mas é também um importante combustível industrial. Grandes quantidades se empregam em fundição e forjarias. Também em extração e refinamento de metais, especialmente de ferro, e em outras numerosas aplicações metalúrgicas e químicas. Para os países em desenvolvimento, abundantemente dotados de florestas, a exportação de carvão vegetal pode ser uma indústria proveitosa.

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positivo para a produção de energia de biomassa (OLIVEIRA JÚNIOR; FARINAS E MARINO, 2008).

A produção do carvão vegetal é muito discutida e apresenta inúmeros fatores contrários à sua produção, sendo o carvão vegetal ainda atrelado ao desmatamento de florestas nativas, às baixas condições de trabalho e muitas vezes associado ao trabalho escravo.

Atualmente, a atividade de produção de madeira de florestas plantadas concentra-se nas Regiões Sudeste e Sul e a Região Norte destaca-se pelo extrativismo vegetal. O valor da produção primária florestal no país, em 2006, houve um aumento de 6,8%. Deste total, 66,0% foram provenientes da silvicultura (exploração de florestas plantadas). Já o extrativismo do carvão vegetal caiu 14,2%, e a lenha 8,7% revertendo a tendência de crescimento desde 1998. (IBGE, 2012). Esta tendência vem se mantendo devido à fiscalização e à crescente oferta de carvão e lenha provenientes de florestas plantadas.

A produção de carvão vegetal em 2012 atingiu 5,1 milhões de toneladas, já a silvicultura, 56,7 milhões de m³. Ambas tiveram um aumento, sendo a produção de carvão vegetal, 23,5%, enquanto a de lenha proveniente da silvicultura cresceu 9,7% em relação a 2011 (IBGE, 2012).

No Brasil, o carvão vegetal ainda continua sendo utilizado de forma sistemática. Ele está longe de ser o combustível de maior emprego no país, mas mesmo assim sua utilização é bastante alta quando comparados aos países considerados de primeiro mundo.

No Brasil, o setor onde se mais se emprega o carvão vegetal é no ramo siderúrgico, no qual sua principal utilização é funcionar como termo-redutor, na produção do aço, fornecendo tanto energia para o processo, quanto participa de forma direta na redução do óxido de ferro.

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reutilização dos subprodutos resultantes do processo, tornando o processo de forma sustentável e consequentemente gerando menores impactos ambientais.

Nas siderurgias é comum a reutilização de gases resultantes dos processos de coquefação, produção de ferro-ligas e aço em diversos setores, tais como fornos de tratamento térmico caldeiras entre outros. Muitas vezes estes gases são estocados em gasômetros para que possam futuramente ser empregados como fonte energética. Sendo assim, é importante conhecer o potencial energético dos gases de pirólise lenta, para que através deste possa cogerar energia.

O aproveitamento ótimo dessas energias derivadas do carvão vegetal, tais como gases e/ou vapores combustíveis, resume numa estratégia energética para as empresas do setor carvoeiro. Daí surge medidas para alcançar o melhor modelo energético.

Para a fabricação de ferro-ligas, o carvão é um insumo imprescindível, sendo este, o responsável pelo fornecimento de parte da energia necessária ao processo, além de atuar como redutor, retirando átomos de oxigênio do minério de ferro.

No Brasil, uso do carvão mineral em siderurgias é predominante. Portanto o uso do carvão vegetal vem crescendo. Em 2012, o setor de ferro-gusa e aço foi responsável pelo consumo de cerca de 70% de todo o carvão vegetal disponível no país (MME, 2014). E este consumo tende a aumentar, sendo que no ano anterior, o setor industrial, principal responsável pelo uso do carvão vegetal, aumentou o seu consumo energético em 13%. (MME, 2014).

Também, o INSTITUTO AÇO BRASIL (2014) mostrou que a produção brasileira de aço bruto vem aumentando. Em maio de 2014, a quantidade produzida foi cerca de 14 milhões de toneladas contra 8,6 milhões de toneladas produzidas em maio de 2009. O resultado foi 38% maior do que o registrado no ano de 2009 para o mesmo período. Já para o ferro-gusa, foram produzidas em maio de 2014, 10,5 milhões de toneladas sendo que no mesmo mês de 2009 este número foi de 8,1 milhões de toneladas. Para este produto houve um aumento de quase 23% quando comparado.

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influencia em uma maior degradação ambiental por meio de seus subprodutos, resultantes da carbonização da madeira. Estes impactos estão associados principalmente quanto à descarga de fumaças na atmosfera e resíduos condensáveis (tais como alcatrão, extratos pirolenhosos e outros) descartados ao solo ou em rios sem que haja algum tipo tratamento.

Geralmente, os subprodutos não são aproveitados, entretanto, alguns estudos apontam a viabilidade do recolhimento destes materiais e suas aplicações. GLASS (2004) mostrou como é possível coletar e utilizar os extratos pirolenhosos em dois tipos de processo, agrícolas e pecuários. No primeiro, pode ser utilizado como fertilizantes. Já no segundo, quando adicionado à ração, proporciona uma melhora significativa na flora intestinal do animal.

Quanto à fumaça resultante do carvoejamento, GLASS (2004) mostrou que existem propostas para a implantação de filtros que minimizam as fumaças. Portanto, em outros estudos é visto que as estas fumaças, possuem alto potencial energético, (REED e DAS, 1988) e (SILVA, SOBRINHO e SAIKI, 2004) e podem ser utilizadas na geração de energia elétrica.

É importante ressaltar que a exploração da floresta energética não se limita à produção de carvão vegetal. Deve ser explorado todo o potencial da biomassa, inclusive para cogeração de energia. SIQUEIRA (2011) defende que o carvão, além de ser a fonte energética indispensável para os altos-fornos, gera várias energias derivadas, que precisam ter máximo aproveitamento, que chegam a representar mais de 40% do seu conteúdo energético.

No âmbito mundial, o Brasil é considerado o maior produtor de carvão vegetal. Este insumo é produzido, em sua maior parte, com o intuito de atender demandas da siderurgia nacional, sendo este fundamental para a produção ferro-ligas e aço. Com o crescimento acelerado da economia dos países que compõe o BRIC (Brasil, Rússia, Índia e China), a demanda de aço é crescente.

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segmento, apesar de estudos já relatarem esta tecnologia na década de 70 como é o caso de PETROFF e DOAT (1978). Apesar de antigos, estes equipamentos metálicos ainda possuem custos elevados inviabilizando suas implantações em pequenas ou até mesmo em grandes empresas do setor carvoeiro. Sendo assim, adaptações, baseadas no empirismo, são constantemente realizadas em fornos de alvenaria (predominante na produção de carvão vegetal) (OLIVEIRA, 2007). Entretanto essas adaptações, por muitas vezes, podem até mesmo levar um mau funcionamento do mesmo, além de apresentar custos elevados e que muitas vezes podem não apresentar o retorno econômico esperado. Geralmente, isto se deve a desconsiderações de teorias e métodos científicos.

Na maioria dos casos, no processo de produção do carvão vegetal, o biogás é considerado subproduto e é descartado de forma direta para atmosfera devido a vários fatores: dificuldade de manipulação, temperaturas elevadas, indisponibilidade de equipamentos destinados à coleta. Pensando nisso, este trabalho tem como objetivo principal quantificar a emissão de biogás produzido em ciclos de carbonização da madeira realizados em laboratório. Espera-se que com essa informação possa vir a ajudar empresas do setor carvoeiro a buscar alternativas com vertentes sustentáveis, proporcionando soluções para a redução dos impactos ambientais e até mesmo, obter significativos ganhos financeiros.

Para isso, foi proposto um estudo sobre a composição do biogás, identificando e mensurando seus principais componentes. Para este propósito, análises cromatográficas foram realizadas a fim de determinar os percentuais volumétricos de cada componente que o constitui, como teor de hidrocarbonetos, monóxido e dióxido de carbono.

Outro ponto proposto pelo trabalho foi quantificar as emissões médias do biogás e seus componentes ao longo dos diferentes estágios de ciclos de produção de carvão vegetal. Esta etapa possibilitou desenvolver uma curva Emissão x Tempo para ciclos realizados em

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Nesse sentido, no Capítulo II apresenta-se uma revisão bibliográfica mostrando o surgimento do carvão vegetal. Em seguida, foi realizado um estudo sobre os diferentes tipos de fornos, partindo desde os fornos de batelada, como os de terra, passando pelos fornos de alvenaria e terminando nos fornos metálicos, semi-contínuos e contínuos, com suas inovações tecnológicas. Também foi abordado sobre as tecnologias existentes para a cogeração de energia utilizando o biogás proveniente de diferentes processos. Este capítulo ainda trata da análise e quantificação (emissão) do gás de pirólise lenta apresentando alguns equipamentos e técnicas existentes.

No Capítulo III, é apresentada a montagem experimental utilizada para reproduzir em laboratório o processo de carbonização da madeira em escala industrial. Para isso foram apresentados detalhes da estrutura física de um forno além das práticas operacionais utilizadas. Tais detalhamentos permitiram produzir um carvão com os mesmos parâmetros utilizados em uma empresa do setor carvoeiro. Também no mesmo capítulo foi apresentado um procedimento de montagem experimental de um sistema que permite coletar o biogás produzido nas diversas etapas da produção de carvão. Esta bancada experimental cumpre as normas exigidas aos protocolos do MDL (Mecanismos de Desenvolvimento Limpo),

tornando possível sua aplicação na aquisição de certificados de redução de emissão de gases poluentes do meio ambiente.

Por sua vez, no Capítulo IV foram tratadas as precauções que deverão ser tomadas para que se possa fazer a coleta do biogás de forma regular e seguindo as normas vigentes para uma maior aceitação científica deste trabalho. Em vista disso, além das técnicas de coleta do biogás foram também apresentados, equipamentos utilizados nas análises cromatográficas, para calibração e os resultados obtidos e a padronização da injeção das amostras no cromatógrafo.

O Capítulo V apresenta os ajustes experimentais para obter a curva de Temperatura x tempo para produção de carvão vegetal em laboratório com características aceitáveis para

a siderurgia nacional.

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cogeração de energia. Por fim, no Capítulo VII, foram apresentadas as principais conclusões do trabalho e algumas propostas de trabalhos futuros.

Vale ressaltar que para a grande maioria das unidades produtoras de carvão (UPC) a relação - tempo de produção de carvão vegetal versus emissões de gases combustíveis não

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CAPÍTULO II

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Em 16 de fevereiro de 2005, data na qual passou a ser vigorado o Protocolo de Kyoto em mais de 175 países, a sustentabilidade passa a ser um tema altamente discutido

nas mesas de vários segmentos industriais, inclusive o carvoeiro. Em siderurgias, por exemplo, os gases resultantes de coquerias, alto-fornos, aciarias, são armazenados e reutilizados em outros processos, como pode ser visto no estudo apresentado por CARVALHO (2003).

Na agropecuária, os rejeitos (palhas, podas, folhas, fezes, urinas de animais entre outros) também estão sendo reaproveitados no intuito de se produzir energia, (CAMPOS et al., 2004) como também é o caso de aterros sanitários e estações de esgotos que utilizam o biogás para a cogeração. Quando estas empresas passam por certificações de determinadas entidades vinculadas à ONU, além da produção de energia, outro benefício são os créditos de carbono (CENAMO, 2005), negociáveis no Mercado Internacional.

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(2012);

 1 tese de doutorado: Maia (2014);

 2 dissertações de mestrado: Oliveira (2009) e MULINA (2011);

 5 trabalhos científicos completos publicados em eventos nacionais: PESSOA FILHO et al. (2009), 2 artigos de MULINA et al. (2010), MAIA et al. (2010), OLIVEIRA et al. (2010);

 5 trabalhos científicos completos publicados em eventos internacionais: MULINA et al. (2009), OLIVEIRA et al. (2009), OLIVEIRA et al. (2010) e 2 artigos de OLIVEIRA et al. (2011);

 4 trabalhos de conclusão de curso: MULINA (2009), FIGUEIRA JÚNIOR E PESSOA (2009), CUNHA (2009) e PEREIRA E CARDOSO (2010).

O gás de pirólise lenta da biomassa é também chamado de biogás. Sua constituição básica é: metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) em quase sua totalidade e baixas porcentagens de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) (SILVA, 1998). Sendo assim, o biogás possuiu um significativo potencial energético e que geralmente, no processo de carbonização da madeira, é desperdiçado (Fig. 2.1).

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Entretanto, conforme apresentado por OLIVEIRA (2009), o processo de produção de carvão apresenta três etapas principais; na primeira ocorre basicamente o desprendimento de grande quantidade de água, seguido pela etapa de carbonização da madeira onde se espera encontrar um biogás com maior potencial energético, concentrações de metano e monóxido mais elevadas devido a menor quantidade de água. Por fim a etapa de resfriamento, onde não ocorre liberação de fumos.

Partindo deste ponto de vista, torna-se necessário produzir biogás proveniente do processo de carbonização da madeira em laboratório a fim de realizar análises cromatográficas para que se possam conhecer os principais compostos químicos que constituem este gás e o período de maior concentração. Este procedimento possibilitará determinar o gradiente da evolução do poder calorífico ao longo do processo e futuramente que se possa determinar o potencial energético de uma Unidade Produtora de Carvão (UPC) com uma maior precisão.

Além do grande potencial energético desperdiçado pelas carvoarias, esses gases causam grandes impactos ambientais, tal como o efeito estufa. Nestas condições é conveniente que haja então um estudo da combustão do biogás, que não só permitirá estabelecer a quantidade de energia contida no gás, mas permitindo estabelecer cenários da utilização do biogás em unidades de cogeração de energia visando além de ganhos econômicos, a redução dos impactos ambientais a sua sustentabilidade.

O carvão vegetal é proveniente de um processo químico, tendo como matéria prima a madeira. Basicamente, o carvão vegetal é constituído em sua quase totalidade de carbono, portanto podem-se encontrar outros elementos: K, Al, Mg, Fe, Na, Ca, Mn (MORALES, 1999). Seu primeiro registro é estimado em torno de 32 mil anos atrás, mas não se sabe este era produzido de forma deliberada (UK AGRICULTURE, 2009).

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produto (OLIVEIRA, 2009).

Figura 2.2 – Forno de encosta (PENDORADA, 2010)

Predominantemente, as indústrias de grande escala de produção de carvão vegetal utilizam fornos de alvenaria de tamanhos variados, de acordo com a necessidade de produção. Atualmente os mais utilizados são os fornos retangulares, cujo processo pode ser mecanizado. Porém o processo ainda é realizado de forma primitiva sendo que também nestes casos, os fornos possuem poucos instrumentos capazes de fornecer dados precisos ao processo de carbonização da madeira.

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Figura 2.3 – Comparação entre as dimensões dos fornos utilizados pelos pequenos produtores (a) forno rabo-quente (IMOPEC, 2011) e os utilizados pelos grandes produtores de carvão vegetal (b) fornos retangulares – modelo RAC 220

Atualmente, nessas indústrias, o cálculo da produtividade é obtido pela estimativa do volume de madeira enfornada com o volume de carvão retirado do forno. Esse cálculo de produção torna-se uma medida não confiável, pois o volume de madeira enfornado está diretamente ligado a fatores subjetivos, como a experiência dos operadores e o posicionamento da madeira dentro do forno (OLIVEIRA et al., 2010), entre outros. Para um cálculo da produção de forma mais precisa é necessário a utilização do cálculo do rendimento gravimétrico, parâmetro dependente da massa da madeira e da massa do carvão produzido em cada ciclo.

Investimentos na ciência de qualquer processo industrial sejam por meios de modelos numéricos ou procedimentos experimentais são fundamentais para o a obtenção do

a)

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processo de produção de carvão vegetal vem ganhado espaço nas academias. Especificamente os fornos de carvão vegetal estão sendo analisados e basicamente as principais dificuldades já são identificadas, tais como tempo de produção inconstante, o tempo de secagem da madeira verde e os procedimentos para o controle da homogeneidade da carbonização são alguns dos principais pontos a serem estudados com afinco. (MULINA et al., 2009) e (AMELOTI e CARVALHO, 2010).

Uma metodologia muito usual são as simulações numéricas e estão presentes em diversas áreas do conhecimento: biologia, química, física, economia, engenharia entre outros, aplicando-se este conhecimento em vários segmentos industriais.

Em engenharia mecânica, por exemplo, este recurso é utilizado em todas as suas áreas: vibrações, tribologia, processos de fabricação, fenômenos de transporte e outras.

A modelagem numérica se faz presente em diversas outras áreas, e inclusive no processo de produção de carvão vegetal. RAAD (2004) descreveu um modelo matemático que representa as etapas de secagem e carbonização do eucalipto. O objetivo do trabalho era equacionamento geral para a decomposição térmica de cada componente da madeira (celulose, hemicelulose, lignina e extrativos) sob pirólise, que uma vez implementado em um modelo matemático seria válido para qualquer condição de contorno dinâmica na equação da energia (variação da temperatura externa à amostra) e que simulasse o processo de transferência de massa e calor em peças cilíndricas de qualquer dimensão, através de um aplicativo computacional desenvolvido para este fim, visando a otimização do processo de carbonização em fornos industriais. Com isso, RAAD (2004), conseguiu descrever a cinética de carbonização de cada um dos componentes da madeira. Também neste mesmo estudo, o autor pôde verificar a velocidade de propagação do calor em toras de madeira durante os ciclos de carbonização.

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Figura 2.4 – (a) Perfis térmicos em toras de diversos diâmetros; (b) perfis térmicos em toras de mesmo volume (OLIVEIRA, 2009)

a)

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finitas de um modelo matemático bidimensional do processo de resfriamento natural de um leito de carvão vegetal no interior de um forno retangular de carbonização de madeira. O objetivo foi compreender os fenômenos de troca de calor relevantes, de forma a embasar futuras melhorias visando reduzir o tempo total de resfriamento do forno. Inicialmente, era esperado que a incidência de ventos e a espessura do teto do forno fossem fatores relevantes, portanto seus estudos mostraram que a incidência do vento exerceu pouca influência sobre o tempo total de resfriamento, ao contrário do efeito da redução da espessura da parede.

Todas estas áreas do conhecimento citadas anteriormente utilizam a modelagem computacional como um recurso eficiente e de baixo custo.

No entanto cabe salientar que outro estudo muito importante e dedicado também a diversas áreas do conhecimento inclusive dedicadas ao estudo térmico e energético destinado a produção de carvão vegetal, são os modelos experimentais.

A maioria dos estudos voltados à produção de carvão vegetal é basicamente de caráter experimental. Isto é devido às técnicas de tentativas e erros que geralmente apresentam bons resultados. Porém, em muitos casos, os modelos experimentais surgem de ideias vindas dos próprios funcionários envolvidos no processo, geralmente não baseados em conhecimentos científicos e que na maioria dos casos não apresentam um resultado esperado. Esta prática normalmente incentiva o abandono de investimentos voltados à área de pesquisa.

Algumas variáveis importantes que controlam o processo como a abertura e fechamento da chaminé, umidade da madeira e tempo de resfriamento do carvão vegetal também estão ligadas às experiências práticas dos operários. OLIVEIRA (2009) instrumentou termicamente fornos retangulares de alvenaria e em sua concepção, a instrumentação térmica possibilitou aumento da eficiência térmica dos fornos, melhorias na qualidade do carvão vegetal.

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assim, a temperatura é uma grandeza de extrema relevância no processo de produção do carvão vegetal, sendo que esta é responsável por alterações dos parâmetros químicos e físicos (OLIVEIRA 2009).

Alguns estudiosos se baseiam na influência na qualidade final do produto baseado na geometria dos fornos de carvão vegetal como é o caso apresentado por MOREIRA (1964). Já outros se baseiam na influência da variação ao longo das diversas etapas do processo de carbonização sobre o produto final. É notável perceber a divisão das etapas do processo de acordo com os níveis de temperatura. Geralmente os autores utilizam de quatro fases como é o caso de BASTOS FILHO (2002), MEDEIROS e RESENDE (1983) e OLIVEIRA, VIVACQUA e MENDES (1982) que classificam em (1) abaixo de 200°C –

secagem da madeira verde; (2) 200°C a 280°C - reações endotérmicas: liberação de ácido acético, metanol, água, gás carbônico entre outros; (3) 280°C a 500°C - reações exotérmicas: liberação de gases combustíveis como monóxido de carbono e o metano, além do alcatrão; (4) acima de 500°C - liberação de quantias pequenas de gases voláteis, como o hidrogênio em especial.

Em todas essas fases apresentadas, pode ser observado que a análise térmica do processo é essencial para a qualidade do carvão vegetal. Tais fatos justificam o desenvolvimento de sistemas supervisórios de temperatura.

MULINA (2009) desenvolveu um sistema supervisório voltado à produção de carvão vegetal e OLIVEIRA (2009) mostrou que com este sistema é possível desvincular o processo de aspectos subjetivos, relacionados a pratica dos carbonizadores podendo assim diminuir o tempo do ciclo de carbonização e aumentar o rendimento da produção de carvão vegetal.

OLIVEIRA et al. (2010) mostrou em seu estudo que é possível, através da instrumentação térmica (utilização de sensores de resistência térmica PT100) em diferentes modelos de fornos de alvenaria, estabelecer uma relação entre temperatura e a qualidade do carvão. Estas correlações possibilitaram a diminuição significativa de erros operacionais durante o processo.

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são os estudos voltados à combustão do biogás e ao desenvolvimento de tecnologias capazes de reduzir a emissão de poluentes na atmosfera. Podem-se expressar alguns modelos tais como: Fornos DPC (LÚCIO, 2006) e Fornos Containers (BARCELOS, 2002). Devido à crise do petróleo na década de 70, a produção de carvão vegetal vem ganhando força, e desde então, inúmeros estudos abordam este tema (FRANÇA, 2002). Pesquisadores insistentemente vêm buscando soluções que visam melhorar o processo apresentando muitas vezes tecnologias inovadoras, como fornos metálicos (Fig. 2.5 e 2.6).

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Figura 2.6 – Forno metálico modelo DPC (LÚCIO, 2006)

Atualmente, os fornos metálicos são o que há de mais moderno, no entanto o custo de implantação é elevado quando comparado aos fornos de alvenaria. Nesse sentido, muitas empresas produtoras de carvão vegetal que já possuem fornos de alvenaria consideram inviável a substituição pelos fornos metálicos. Dessa forma as empresas buscam soluções mais econômicas como as adaptações apresentadas por RAAD, COSTA e WINTER (2008) como mostrado pela Fig. 2.7.

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convencional. São sistemas inovadores, capazes de reaproveitar os subprodutos, fumaças e extratos pirolenhosos provenientes do processo. LÚCIO (2006) mostra (Fig. 2.8) que na tecnologia DPC, o biogás, ao contrário dos processos convencionais, não é descartado diretamente à atmosfera, antes ele é queimado em uma câmara de combustão e reinserido dentro do forno para que se possa aproveitar o calor nas etapas de secagem ou na etapa de pirólise da madeira. Portanto, a tecnologia DPC exclui a utilização do biogás proveniente do processo de secagem da madeira (fase inicial do processo de carbonização da madeira), que apresenta grandes quantidades de água. A partir de uma análise visual do operador, que julga a quantidade de água contida no gás de forma intuitiva, passa-se a utilizar o biogás proveniente apenas da etapa de pirólise.

Figura 2.8 – Esquema para o processo DPC com três reatores (LÚCIO, 2006)

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Figura 2.9 – Esquema do forno com seu fluxo de gás (BARCELOS, 2002)

Muitos são os problemas encontrados no desenvolvimento e aplicação dessas adaptações. O principal é a ausência da base científica e teórica, em outros casos, os custos elevados e retorno do investimento demorado ou benefício não alcançados. Um exemplo é o forno RAC220 adaptado com gaseificador (Fig. 2.10), que além do alto custo e dificuldades das práticas operacionais, não apresentou resultados esperados para a Empresa, resultando na erradicação do modelo na planta (Fig. 2.11).

Figura 2.10 – Forno RAC220 adaptado com um sistema de gaseificação Forno RAC220

Gaseificador

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Figura 2.11 – Carvão ainda no interior do forno, e identificação de falhas no processo, frutos de adaptações intuitivas: alta concentração de cinzas e friabilidade elevada devido ao borrifamento de água na etapa de resfriamento do carvão vegetal, respectivamente

Geralmente, algumas montagens experimentais desprezam a característica do gás liberado durante o processo de carbonização da madeira, não tendo em vista as características e os componentes que o constituem. Foi observado por alguns estudiosos que o biogás pode, durante o processo carbonização da madeira, variar os seus compostos (MEDEIROS e RESENDE 1983). Então, para que se possam realizar montagens experimentais que consistem na utilização do biogás, é interessante que se conheça com maiores detalhes pesquisas sobre a combustão do biogás.

Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial.

(30)

22

kJ / kmol .

SO

O S

kJ / kmol .

O H O

H

kJ / kmol . CO O C 300 29 800 241 2 1 500 393 2 2 2 2 2 2 2          Eq. 2.1 /

Para que se possa estudar a combustão da madeira devem-se avaliar:

Composição típica dos combustíveis: quantificar a porcentagem elementos químicos

do carvão capazes de fornecer energia (carbono, hidrogênio, metano) e os que retiram calor (nitrogênio e outros gases inertes).

Realizar a estequiometria da combustão: A maioria dos processos industriais de

combustão utiliza o ar ambiente como fonte de oxigênio. O conhecimento da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto (BIZZO, 1990). A estequiometria química irá nos fornecer os principais dados necessários aos cálculos de combustão.

Avaliação do rendimento da combustão: Se a composição do combustível e dos

produtos de sua combustão são medidas, o rendimento da combustão pode ser calculado. A quantidade teórica de ar (ou oxigênio) para combustão completa e a composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de combustão.

Redução de massa (transformação da madeira em carvão): A madeira basicamente

(31)

hemiceluloses diferem dependendo da espécie, enquanto que a celulose é um componente uniforme da madeira. A lignina é composta basicamente de carbono, é considerada uma estrutura forte, não podendo ser quebrada em baixas temperaturas (temperatura de pirólise da madeira). Já as estruturas macromoleculares, hemicelulose e celulose, são quebradas em baixas temperaturas (temperatura de carbonização da madeira) (KLOCK et al. 2005).

OLIVEIRA (2009) mostrou que em um determinado processo de carbonização a madeira é enfornada com uma umidade média de 30%. Além disso, no processo da produção de carvão vegetal, as estrutura macromoleculares (hemicelulose e celulose são destruídas) fazendo com que o processo de produção de carvão vegetal reduza a massa enfornada. Estes fatores mostram que, para a construção de um modelo robusto, a redução de massa dentro dos fornos de carbonização deve ser tratada com relevância.

O biogás é produzido por fenômenos naturais existentes em várias partes do planeta, como em pântanos, oceanos e água doce e por fontes antropogênicas, como em plantações de arroz alagado, tratamento de efluentes, aterro sanitário, e outros. (CASSINI, 2003). Em geral o biogás é composto por de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), contendo, ainda, traços de vapor de água (H2O), gás sulfídrico (H2S), nitrogênio (N2), oxigênio (O2), hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), amônia (NH3), mercaptanas e outros gases (METCALF, 2003).

A composição global do biogás e suas concentrações podem variar de acordo com uma série de fatores, tais como a composição química do efluente a ser tratado, a temperatura, o pH, a acidez e a alcalinidade do meio e, ainda, os nutrientes a serem usados pelas populações microbianas (CAMPOS, 1990), (METCALF, 2003) (CHERNICHARO, 2007) e (PRADO, CAMPOS e SILVA, 2010).

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24

partir de águas residuárias de café, apresentou um teor de metano parecido com o anterior, 48 a 68% (PRADO, CAMPOS e SILVA, 2010).

Já para o processo de carbonização da madeira, pode ser visto que a composição básica do biogás é predominantemente constituída por metano, dióxido de carbono, poucas concentrações de hidrogênio, nitrogênio e oxigênio (SILVA, 1998). Já GOMES (1980), BRITO e BARRICHELO (1981) e FERREIRA (2000) quantificaram e apresentaram valores de concentrações de gases não condensáveis (GNC) que variam em torno de 2% de hidrogênio, 30% de monóxido de carbono, 60% pelo dióxido de carbono, 3% pelo metano, 2% constituído pelo restante dos gases.

A composição do biogás é importante para desenvolvimento de estudos relacionados ao seu aproveitamento. SILVA (1998) diz que biogás com concentrações de metano acima de 50% são os mais indicados para os processos de cogeração de energia.

Existem diversos estudos em diferentes áreas de processos que estão baseados nas reações de combustão do biogás. Uns destinam ao impacto ambiental causado por este gás, em termos de emissões atmosféricas. Aplicativos computacionais como o programa TAPM, desenvolvido pela Division of Atmospheric Research da CSIRO (HURLEY, 2005), permite

realizar estudos de dispersão de poluentes considerando dados meteorológicos horários no(s) local(is) em análise. Para esse efeito determinam-se parâmetros meteorológicos numa

malha cartesiana tridimensional tendo como “inputs” bases de dados topográficos, de

vegetação e tipo de solo, temperaturas superficiais e dados meteorológicos obtidos numa escala sinóptica para a região do globo em estudo. No que diz respeito à dispersão de poluentes na atmosfera, o programa TAPM usa algoritmos aceitos pela comunidade científica internacional (PASQUILL, 1974; GLENDENING, BUSINGER e FARBER 1984) e modela diferentes tipos de fontes de poluentes recorrendo a um modelo gaussiano, e produz como resultado diferentes médias temporais e máximos de concentração de poluentes na atmosfera, bem como medianas e percentis (GOMES e DUARTE, 2008).

Já outros estudos utilizam da teoria da reação de combustão associadas às teorias de ciclos de potência termodinâmicas com a finalidade de obter energia extraída do biogás liberado em diferentes processos industriais.

(33)

tecnologia de conversão energética um motor ciclo Otto.

Figura 2.12 – Fluxograma da unidade de cogeração (PECORA, 2006)

Já PEREIRA et al. (2005) apresenta uma aplicação de um motor Diesel no qual está

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26

Figura 2.13 – Motor (esquerda) e geradores Diesel convertidos para o consumo do gás

(1.2MW e 360kW, centro e direita respectivamente) (PEREIRA et al., 2005)

FRANÇA JÚNIOR (2008) mostrou ser viável a utilização de máquinas térmicas baseadas no ciclo Brayton que aproveita o biogás gerado numa estação de tratamento de

esgoto urbano para cogerar energia elétrica. O autor mostra que para um melhor rendimento de cogeração devem-se combinar ciclos de potência a vapor e combustão (Fig. 2.14).

(35)

motores, sua principal vantagem é a utilização de qualquer tipo de combustível como fonte de energia sem que haja alterações em sua estrutura. Sendo assim, existem várias aplicações para esses motores em unidades que realizam a cogeração. BIEDERMANN, CARLSEN e OBERNBERGER (2003), por exemplo, apresentaram aplicações para um motor Stirling (Fig. 2.15) em uma pequena planta de geração de energia. Este motor

utiliza-se como combustível o biogás extraído de um forno e tem capacidade para gerar até 150 kW.

Figura 2.15 – Motor Stirling antes de ser instalado no forno (BIEDERMANN, CARLSEN e

OBERNBERGER, 2003)

Estes variados estudos dos ciclos termodinâmicos apresentados são basicamente para plantas nas quais possuem grandes quantidades de biogás disponível, inviabilizando suas aplicações para empresas que possuem pequenas quantidades do combustível. No entanto, BIEDERMANN, CARLSEN e OBERNBERGER (2003) apresentaram uma tecnologia inovadora chamada de Ciclo Rankine Orgânico (ORC) e afirma em seu estudo

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28

Figura 2.16 – Esquema de uma planta de cogeração ORC (BIEDERMANN, CARLSEN e OBERNBERGER, 2003)

Exemplos de plantas que utilizam o biogás como fonte de energia são incalculáveis. Vão desde plantas de estação de tratamento de esgoto a granjas de suinocultura. Portanto poucos são os exemplos do uso do biogás extraído de plantas de carbonização da madeira. Um exemplo próximo é a tecnologia Torspyd (THERMYA, 2012). Esta tecnologia consiste

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Figura 2.17 – Esboço da planta de torrefação da biomassa (THERMYA, 2012)

Para que se possa utilizar o biogás como combustível em ciclos termodinâmicos, seja em motores, turbinas a gás ou microturbinas, é necessário identificar alguns pontos fundamentais, como vazão, composição química e poder calorífico.

Duas metas do projeto PUREFA, tiveram como objetivo implantar um sistema demonstrativo, capaz de captar, purificar, armazenar o biogás e utilizá-lo, como combustível, na geração de energia elétrica. Para isso, foram feitas análises do biogás gerado por duas empresas contratadas. Somente após os resultados obtidos, foi desenvolvido um sistema de purificação do biogás, para que este possa ser usado posteriormente em um sistema de conversão do biogás em energia elétrica (COELHO et al., 2006).

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biodigestores, além de apresentar um estudo do custo da energia elétrica gerada a partir dos dejetos de suínos, CATAPAN, CATAPAN e CATAPAN (2011) coletou e analisou o biogás através do uso do kit biogás, desenvolvido pela EMBRAPA.

O kit Biogás Portátil (Fig. 2.18) é um método desenvolvido por KUNZ e SULZBACH (2007) que permite o monitoramento diário dos principais constituintes do biogás, de modo rápido, fácil e eficiente. As análises colorimétricas (Amônia e Gás Sulfídrico) utilizam um sistema de comparação visual com cartela de cores. A determinação de gás carbônico e metano são realizados por um analisador de diferença de volume (CATAPAN, CATAPAN e CATAPAN, 2011).

Figura 2.18 – Kit Biogás Portátil (CNPSA-EMBRAPA, 2007)

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otimizar a produção de metano, gás presente no biogás fundamental para combustão, num sistema de biodigestor tubular, viu a necessidade de analisar a composição do biogás produzido para a construção do sistema. Para isso realizaram análises por meio do Kit Biogás.

Portanto muitos estudos mostraram que para a otimização dos equipamentos utilizados no reaproveitamento do biogás é necessário que se realize análises deste. Outro método comum utilizado é a cromatografia gasosa.

O princípio básico da cromatografia gasosa consiste na separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma fase estacionária (líquido ou sólido) e uma fase móvel (líquido ou gás), Fig. 2.19.

Figura 2.19 – Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre as fases

(40)

32

ou argônio dependendo da aplicação. A Figura 2.20 representa um esquema dos equipamentos principais que compõe a montagem de um cromatógrafo (DEL GRANDE, 2010).

Figura 2.20 – Componentes de um cromatógrafo (DEL GRANDE, 2010)

Os elementos principais de um cromatógrafo são a coluna cromatográfica (responsável pela separação dos constituintes da amostra), o forno (aquece a coluna e a mantém a uma temperatura constante), o detector e o integrador que são elementos responsáveis pela detecção e determinação dos picos dos constituintes de interesse. Na cromatografia a gás, o fluxo da análise (fig. 2.20) inicia com a liberação do gás de arraste (nesta pesquisa, hidrogênio) a partir do reservatório de gás e controle de vazão e pressão (1), no injetor (2) ocorre a vaporização da amostra e o seu encontro com a fase móvel. O gás de arraste transporta então a amostra pelo interior da coluna (3), aquecida pelo forno (4), onde ocorre a separação dos componentes da amostra. Os detectores (5) são responsáveis pela detecção e determinação dos picos de interesse, gerando sinais quando ocorre passagem de substâncias diferentes do gás de arraste, que são percebidos pela eletrônica de tratamento (6) e registrados no cromatograma gerado no computador (7) (MAIA, 2014).

(41)

partir do biogás.

FRARE, GIMENES e PEREIRA (2009), mostraram que no desenvolvimento de seu estudo foram realizados experimentos para determinar a redução do teor de ácido sulfídrico (H2S) de correntes de biogás. Para isso os valores da concentração de H2S, bem como dos

demais gases, foram obtidos por cromatografia gasosa com a utilização de um cromatógrafo

modelo Thermo Quest 2000, com coluna Porapak Q. Essas amostragens eram realizadas com o auxílio de seringas em um determinado ponto localizado na corrente 5 na saída da coluna T-101. Em todas as análises cromatográficas do biogás durante a realização dos

experimentos, os componentes N2 (nitrogênio) e O2 (oxigênio) foram considerados conjuntamente, devido à dificuldade da identificação destes. Para evitar erros devido a contaminações ou resíduos de ensaios anteriores, as seringas eram previamente lavadas com o gás de amostragem e mantidas hermeticamente vedadas até a injeção no cromatógrafo.

Outro estudo desenvolvido, porém agora na biodegradação de resíduos lignocelulósicos gerados na bananicultura e sua valorização para a produção de biogás, foi imprescindível a utilização análise cromatográfica para a determinação da composição do biogás. A caracterização do biogás gerado foi realizada a partir das determinações das concentrações dos gases CH4, CO2 e H2S em cromatógrafo a gás Agilent, série 6890, com mostrador automático série 7683, empregando-se coluna HP-PLOT Q da Agilent (Port n. 19091P-Q04) com 30 m de comprimento, diâmetro 0,32 mm e filme de espessura 20 μm.

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34

SATHIANATHAN (1975), disse que o valor calorífico do biogás é a função da sua qualidade sendo diretamente proporcional ao aumento da porcentagem de metano na mistura. Essa afirmação confirma a necessidade de realizar análises do biogás para o desenvolvimento de projetos de diversas áreas que envolvam reaproveitamento ou mesmo quantificação de emissão para impactos ambientais. Assim, para o processo da produção de carvão vegetal não é diferente.

BRITO et al. (2011) em seu estudo sobre emissão de gases de efeito estufa em processos de produção de carvão vegetal apresentado a empresa Vallourec & Mannesmann Tubes, mostrou procedimentos detalhados para a coleta de amostras e análise dos gases

expelidos durante um processo de carbonização da madeira em escala industrial. Nesse estudo optou-se pela montagem do equipamento de cromatografia nos escritórios das UPCs. Para tais análises, fizeram parte dos serviços contratados a locação das estações de coleta de amostras, com o conjunto de equipamentos previstos pela AM0041, ou seja, condensador e coletor de líquidos, bomba peristáltica para sucção dos gases a partir de tubulação instalada nas chaminés dos fornos e o gasômetro para armazenamento dos incrementos da massa de gás que constituíam a amostra coletada. A Figura 2.21 apresenta um perfil cromatográfico obtido pelos pesquisadores em um processo de carbonização da madeira.

(43)

Ao final de cada campanha de amostragem, foi realizada a manutenção dos trens de amostragem, incluindo a limpeza das sondas, condensadores, filtros e vidraria, bem como a verificação geral dos equipamentos. Todos os procedimentos foram conduzidos de acordo com a norma UNFCCC AM0041 versão 1 Mitigation of Methane Emissions in the Wood Carbonization Activity for Charcoal Production. Esta norma é aprovada e registrada para

projetos do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL) da Convenção do Clima (BRITO et al., 2011).

Associado ao estudo de BRITO et al. (2011) outro trabalho pode ser enfatizado, REZENDE et al. (2011) aproveitou dos resultados das análises cromatográficas realizadas com o biogás gerado no processo de carbonização da madeira para estabelecer um modelo de regressão do rendimento gravimétrico da carbonização sobre a emissão de metano - V&M Florestal. O intuito do trabalho foi relacionar as emissões de metano com a concentração do biogás encontrado.

(44)

CAPÍTULO III

MONTAGEM EXPERIMENTAL

Este estudo apresentado é fruto da continuação de um trabalho que iniciou-se seu desenvolvimento no ano de 2007 e alguns resultados prévios podem ser observados em OLIVEIRA (2009). Sendo assim, destacam-se duas fases do processo de carvoejamento: Fase 1: secagem da madeira; Fase 2: pirólise da madeira.

Especificamente espera-se retratar o processo de carbonização da madeira em fornos retangulares de alvenaria existentes em uma empresa de grande porte localizada nas mediações da cidade de Paracatu - MG. Sendo assim, para uma melhor compreensão, será descrito o processo industrial.

A Empresa utiliza fornos retangulares de alvenaria modelo RAC220 (Fig. 3.1) que, na maioria dos casos, são abastecidos com o Eucalyptus urophylla. Seu volume interno é de

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Figura 3.1 – Forno retangular de alvenaria, modelo RAC220

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38

Figura 3.2 – Interior de um forno RAC220 e sua representação esquemática (vista superior) do sistema de entrada e saída dos gases com detalhes das câmaras de ignição e entradas de ar respectivamente

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Figura 3.3 – Representação do canal de fumaça e chaminé (baixo para cima respectivamente)

O conhecimento das principais características do forno RAC 220, (detalhamento das entradas e saídas de ar e dos gases de pirólise) é fundamental para que se possa desenvolver uma bancada experimental capaz de simular o processo real de carbonização da madeira e saber quais os parâmetros devem ou não ser considerados em laboratório.

Dessa forma foi desenvolvido nas dependências do Laboratório de Transferência de Calor e Massa – LTCM da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia – UFU, uma bancada experimental nos quais todos os testes serão realizados.

3.1 – Montagens da bancada do sistema de produção de carvão vegetal em laboratório

(48)

40

primeira etapa consistiu em coletar madeira na empresa e encaminhá-la para o LTCM-UFU onde serão realizados os testes laboratoriais.

Figura 3.4 – Árvores da espécie Eucalyptus urophylla plantadas próximas à Unidade de

Produção de Carvão Vegetal

(49)

devido ao menor peso e uma ligeira redução do volume (contração) da madeira.

Após a pré-secagem inicial da madeira, ela é transportada e estocada novamente em áreas próximas aos fornos aguardando o momento de serem enfornadas. Essa madeira fica estocada por um período que pode variar de 90 a 120 dias. Segundo MOREIRA (1964) quando a madeira é estocada de forma inadequada esta produz menor quantidade de carvão de qualidade inferior. Com este tempo de estocagem, a Empresa assegura que as toras de madeira são enfornadas com aproximadamente 30% de umidade.

Para a obtenção da madeira e envio ao LTCM-UFU, foram escolhidas toras de uma pilha de forma aleatória e discos foram coletados. Para isso, cuidadosos procedimentos foram seguidos. No momento da escolha, houve o cuidado em não retirar discos de toras que estivessem diretamente submetidas ao sol e nem de toras que se encontravam próximas ao solo. Foi então determinando um padrão para coleta dos discos, em que as amostras seriam coletadas de toras que estivessem a abaixo de 1,20 m do topo e acima de 1,20 do solo, Fig. 3.5.

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42

Figura 3.5 – Procedimento para escolha aleatória das toras que fornecem discos de madeira a serem utilizados no processo de carbonização em laboratório

(51)

Figura 3.6 – Representação da metodologia de coleta de um disco de madeira para sua utilização no processo de carvoejamento em escala laboratorial

No processo experimental realizado em laboratório a massa de madeira enfornada e os diâmetros das amostras são bem inferiores às de um processo real, que chega a enfornar cerca de 100 toneladas em toras de madeira com diâmetros que variam, na maioria dos casos, de 10 a 30 cm. Já em laboratório foram enfornados aproximadamente 0,3kg de madeira a cada ciclo de produção de carvão.

(52)

44

Figura 3.7 – Amostras de madeira da espécie Eucalyptus urophylla utilizadas no processo

de carbonização da madeira em laboratório

No laboratório, as amostras foram estocadas dentro de uma caixa, em uma sala fechada, sem que houvesse exposição à luz solar ou umidade e chuva. Consequentemente, a umidade pode ser bem diferente da encontrada no processo real. Sendo assim, para a realização dos testes, foi medida a umidade das amostras de madeira.

(53)

elétricas capaz de fornecer a energia necessária para o processo de carbonização.

Figura 3.8 – (a) mufla de resistências elétricas; (b) carcaça metálica utilizada no armazenamento da madeira; (c) carcaça no interior da mufla no processo de carbonização da madeira

Diversos estudos mostram a influência da temperatura no processo de carvoejamento. Um rápido aquecimento e resfriamento podem levar a mudança de características físicas, como a friabilidade do carvão vegetal (TRUGILHO e SILVA, 1998). Já temperaturas altas ou baixas influenciam diretamente na composição química do carvão vegetal, afetando em parâmetros como composição dos materiais voláteis, carbono fixo (OLIVEIRA, 2009). Além disso, tanto o tempo de duração de um ciclo, e altas ou baixas temperaturas no processo, pode atenuar até mesmo a quantidade do produto final, ou seja, proporcionar ganhos ou perdas no rendimento gravimétrico, parâmetro no qual está diretamente associado à rentabilidade da empresa. Este tema terá uma maior ênfase e será tratado com detalhamento no Capítulo V.

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46

Figura 3.9 – Sistema de exaustão do biogás

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Figura 3.10 – Gasômetro ao final do sistema de exaustão dos gases

3.2 – Montagens do sistema de coleta do Biogás

Para a coleta e análise do biogás tornou-se necessário montar um sistema de coleta compatível com normas e técnicas internacionais vigentes, AM0041 e AMSIII.K. Para isso foi adquirido um conjunto de equipamentos, todos certificados pelo INMETRO (Fig. 3.11):

 Ciclone – separar substâncias de densidades maiores;

 Filtro – reter particulados que ainda se encontram no biogás;

 Erlenmeyer – armazenar as substâncias decantadas pelo ciclone;

 Impinger – retirar a umidade do biogás;

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48

Figura 3.11 – Equipamentos necessários para a realização da coleta do biogás

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Figura 3.12 – Esquema da montagem experimental para a coleta do biogás

Assim, baseada na seguinte configuração, foi montado o sistema para coleta do biogás em laboratório (Fig. 3.13).

Figura 3.13 – Montagem do sistema de coleta do biogás no LTCM

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50

radiação das resistências elétricas), para a construção desta bancada, grandes dificuldades foram enfrentadas. Os principais entraves foram na obtenção de materiais, principalmente de baixo custo, que resistem a tais temperaturas como colas, silicone, bicos, conexões e juntas de vedação do canal de exaustão dos gases. Nesse intuito, diversos tipos de materiais foram improvisados para tais funções, podendo estes vir a contribuir em possíveis fontes de erros quanto à medição da vazão.

A produção de carvão vegetal resulta na liberação de vários componentes ao longo do seu processo que causam odores desagradáveis e ardor nos olhos. Sendo assim, mesmo que a produção de carvão vegetal aconteça em pequena escala (nível de laboratório com apenas 0,3kg de madeira) o ideal é que esta bancada fosse isolada ou mantida a uma distância significativa do laboratório e estudantes que frequentam o mesmo. Como isto não pode ocorrer devido às limitações estruturais, exaustores foram instalados no laboratório para amenizar os efeitos da produção no conforto laboral da equipe de trabalho.

(59)

CAPÍTULO IV

CALIBRAÇÃO DO CROMATÓGRAFO E PROCEDIMENTOS DE COLETA DO

BIOGÁS

Neste capítulo serão tratadas as precauções que deverão ser tomadas para que se possa fazer a coleta do biogás de forma regular e seguindo as normas vigentes para uma maior aceitação científica deste trabalho. Em vista disso, além das técnicas de coleta do biogás serão apresentados os equipamentos utilizados na análise cromatográfica, para calibração e os resultados obtidos e a padronização da injeção das amostras no cromatógrafo..

Tais análises cromatográficas do biogás foram realizadas no LTCM, utilizando de um cromatógrafo adquirido por meio de um projeto de pesquisa em parceria com o CNPq. O cromatógrafo FID/TCD modelo SHIMADZU GC-2014 está equipado com um detector FID (Flame Ionization Detector) que analisa hidrocarbonetos (CxHy).e um detector TCD

(Thermical Conductivity Detector) fundamental para análise de gases como

(60)

52

Figura 4.1 – Cromatógrafo FID/TCD modelo SHIMADZU GC-2014 interligado a um aplicativo gráfico capaz de fornecer informações da amostra ao usuário

Recorrendo a bibliografia sobre a composição do biogás (SILVA, 1998), pode ser visto que sua composição básica é predominantemente constituída por metano, dióxido de carbono, poucas concentrações de hidrogênio, nitrogênio e oxigênio. Já GOMES e OLIVEIRA. (1980), BRITO e BARRICHELO (1981) e FERREIRA (2000) quantificaram e apresentaram valores de concentrações de gases não condensáveis (GNC) que variam em torno de 2% de hidrogênio, 30% de monóxido de carbono, 60% pelo dióxido de carbono, 3% pelo metano, 2% constituído pelo restante dos gases. É interessante ressaltar que em cada trabalho foi utilizado um tipo diferente de madeira, podendo ser este um dos principais fatores das variações entre os trabalhos citados anteriormente.

(61)

trabalho.

Sendo assim, o cromatógrafo adquirido para os trabalhos realizados pelo LTCM, está equipado por um TCD (detector de condutividade térmica) que possui uma coluna capaz de detectar metano, monóxido e dióxido de carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio. Porém, o hidrogênio, também presente no biogás, é utilizado neste equipamento como gás de arraste, sendo ele não detectado nas análises ocorridas. A coluna sugerida pela empresa para tais análises é a Carboxen™-1010 PLOT Capillary GC Column 30 m, com diâmetro 0,53mm. Essa coluna é do tipo PLOT (Porous Layer Open Tubular) com camada de fase estacionária sólida presa às paredes internas e contempla variadas análises. Também o cromatógrafo é equipado por um FID (detector de ionização por chama), sendo este adaptado com a mesmo coluna do TCD.

4.1 – Procedimentos para as Calibrações do Cromatógrafo

4.1.1 – Ajuste dos parâmetros: definição do Método Cromatográfico Padrão

Com o objetivo de desenvolver uma metodologia experimental para a quantificação dos gases provenientes da carbonização da madeira, como foco principal no metano (CH4), monóxido e dióxido de carbono (CO e CO2 respectivamente), aplicada na produção de carvão vegetal em laboratório, viu-se a necessidade de desenvolver um método cromatográfico para mensurar a concentração destas substâncias nas amostras coletadas no processo.

Para o desenvolvimento do método cromatográfico, alguns parâmetros deveriam e foram ajustados e padronizados, tais como: temperatura do injetor, da coluna, do FID e TCD, tempo de coluna, injeção da amostra e definição do gás de arraste.

(62)

54

deste trabalho (CH4, CO e CO2) e suas respectivas concentrações volumétricas conhecidas, e foram injetadas no cromatógrafo. Por meio de um aplicativo computacional GC Solutions

(fornecido pelo fabricante do cromatógrafo, SHIMADZU) pode-se visualizar os resultados fornecidos pelo cromatógrafo. A Figura 4.2 apresenta o comportamento dos picos para algumas configurações dos parâmetros ajustados inicialmente:

Figura 4.2 – Comportamento dos picos em função dos parâmetros ajustados inicialmente

(63)

Figura 4.3 – Comportamento dos picos com os ajustes finais já determinados

É possível observar nitidamente, pela comparação da Fig. 4.3 com a Fig. 4.2, que os dois picos iniciais antes sobrepostos, agora se encontram mais afastados. Também é possível observar que com estes valores dos parâmetros do Método Cromatográfico Padrão foi possível realçar mais dois picos que antes não haviam sidos esboçados.

A Tabela 4.1 expressa os valores finais dos parâmetros adotados para o Método Cromatográfico Padrão utilizado em todas as análises desse trabalho.

Tabela 4.1 – Parâmetros finais utilizados para a definição do Método Cromatográfico Padrão

Temperatura [°C]

Injetor 200 Tempo de coluna 20 min

Coluna 40 Injeção da amostra 500 μL

FID 240 Gás de arraste Hidrogênio

pureza 99,999

TCD 240

(64)

56

4.1.2 – Identificação dos componentes do biogás de acordo com o tempo de retenção

Ainda analisando as Figs. 4.2 e 4.3, apesar da determinação do Método Cromatográfico Padrão, ainda não é possível identificar quais compostos estão presentes na amostra injetada. É de grande interesse compreender quais elementos estão relacionadas aos respectivos picos. Pôde ser visto também que cada pico tem o seu respectivo tempo de retenção, então este outro fator teve que ser observado com relevância. Nesse intuito, o próximo passo consiste em relacionar os picos com os compostos.

Porém, para solucionar tal problema, a maneira escolhida, foi injetar gases puros no cromatógrafo e observar o tempo de retenção dos picos e só a partir de então, relacionar os picos a uma mistura padrão injetada.

Foi retirada de um cilindro de monóxido de carbono com concentração volumétrica conhecida, 99,5% de CO, certa quantidade do gás por meio um bag Tedlar Stock equipado

com uma válvula Roberts e uma união JACO com septum. Imediatamente depois de o gás

ser coletado, utilizando-se de uma microsseringa Hamilton Gastight LTN 81343, apropriada

para cromatografia a gás com agulha fixa tipo 5, com ponta em Teflon, foi retirada do bag Tedlar uma amostra, que injetada no cromatógrafo, foi capaz de fornecer a informação do

tempo de retenção do pico relacionado ao gás injetado.

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Figura 4.4 – Pico formado pela análise cromatográfica de uma amostra de monóxido de carbono (concentração de 99,5%)

Observando a Fig. 4.4 é notório que o tempo de formação do pico desenvolvido pela análise cromatográfica de uma amostra de monóxido de carbono (concentração volumétrica de 99,5%) corresponde a 2,8 minutos (vale ressaltar que foi utilizado o hidrogênio como gás de arraste, sendo assim, a concentração do gás injetado dentro da coluna não é a mesma). No entanto só foi possível observar o aparecimento do pico de um (CO) dos três componentes presentes no biogás. Então é necessário identificar o tempo de retenção dos dois outros componentes (CH4 e CO2).

Seguido o mesmo procedimento, anteriormente descrito, porém agora, utilizando de

bags Tedlar, cada um contendo um gás puro (metano a 99,95% e dióxido de carbono a

(66)

58

Figura 4.5 – Pico formado pela análise cromatográfica de uma amostra de dióxido de carbono (concentração de 99,99%)

Figura 4.6 – Pico formado pela análise cromatográfica de uma amostra de metano (concentração de 99,5%)

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